研究人员对“生命烟火”进行逆向工程

想象一下，站在一个木材场，被要求建造一座房子——没有任何蓝图或任何指示。所有的材料都在你面前，但这并不意味着你知道如何从A点到B点。

这就是普林斯顿大学的生物学家们所面临的情况，他们正在从零开始构建微管，即细胞的骨架。

“我们不认为这是可能的，”分子生物学助理教授Sabine Petry说。多年来，佩特里和她实验室的研究人员用他们称之为“生命烟火”的视频让生物界眼花缭乱，这些视频展示了这些微观结构的分支和生长。“从制作烟花到了解烟花的制作方法?”我们花了五年的时间来构思和集思广益。在那段时间里，她的团队煞费苦心地测定了烟花的成分，一次只测定一种蛋白质，研究生阿坎克沙塔瓦尼(Akanksha Thawani)为这个序列设计了一个模型，但似乎不可能进行测试。

但后来，《华尔街日报》的审稿人告诉他们，除非通过实验证明，否则他们无法发表自己的模型。

”诚然,在观看Akanksha基金会工作这么长时间,当裁判要求更多的工作,我很怀疑,我们可以解决分子附件的顺序在任何合理的时间,”霍华德说石头,普林斯顿大学的唐纳德·r·迪克森69年和伊丽莎白·w·迪克森机械和航空航天工程教授Thawani里海。但Akanksha专注而有纪律，系统地处理了确定分子附着顺序的实验。跟踪她的侦探工作让人震惊。”

“他们问了我们，我们想把它发表出来，所以成功了，”佩特里说。“评审过程会有很多负面报道，但有时候评审员会把你推向下一个阶段。他们的研究结果发表在《生活》杂志上。

建造一座没有蓝图的房子

微管是细胞的砖块和灰泥，用来建造细胞壁和有丝分裂和减数分裂的纺锤体——没有它们，即使是单细胞生物也无法繁殖——但直到现在，没有人确切地知道微管是如何彼此分开的。十年来，研究人员已经知道，由微管相互生长而形成的分支是组装纺锤体和在细胞成分之间建立连接的关键。

佩特里说:“大约10年来，缺失的部分是微管的分支。微管并不是线性增长的，而是不断地分支，它们可以一次又一次地分支，就像烟花一样。”

虽然Petry的团队已经确定了构建微管所需的组件，但他们还没有把这些序列(配方)放在一起，这些序列详细说明了如何在分子水平上组装它们，从而使纺锤体生长并分支成烟花。在大多数情况下，这很好。生物学为他们做到了这一点。如果他们把正确的组件放在一起，烟花就会绽放。

但到底是怎么发生的呢?这是困扰着Thawani的问题，她是一名化学和生物工程研究生，正在Petry的实验室里做研究。

“很长一段时间以来，我一直盯着他们，想知道这是怎么回事，从零开始，”塔瓦尼说。“我们从根本没有微管开始，然后，在15分钟内，我们就有了这些美丽的结构。如何从这些纳米大小的蛋白质中产生结构?它们的结合动力学或它们的组织是什么导致了我们所看到的结构?”

Thawani在解决这些问题上处于独特的地位，他花了数年时间研究化学工程、物理以及分子生物学。她实际上是在这三个领域之间发明了一个新的子专业。她说:“在学科交叉的地方——那是下一个最好的科学。”

eLife的论文正站在一个不寻常的十字路口:在四位作者中，除了Thawani之外，所有人都是他们自己研究实验室的首席研究员(PIs)，研究领域通常不相关:生物学中的Petry;石头在工程;还有物理学教授、刘易斯-西格勒综合基因组学研究所(Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics)的乔舒亚·沙维茨(Joshua Shaevitz)。

“我不知道有多少这样的例子，一个第一作者和三个pi，”Petry说。“我认为这是普林斯顿的优势。我不知道还有哪个地方能如此容易地让三位教授聚在一起完成一个项目。”

Thawani意识到，关键在于建立一个基于精确测量微管生长模式的计算机模型。这需要用全内反射荧光(TIRF)显微镜对烟花成像。TIRF是Petry实验室的强项，该实验室开发了光学分离样品100纳米厚区域的技术，这样就可以在背景分子的海洋中看到微管分支。(参考一下，人类的头发大约是这个长度的500倍。)

但即便如此，相机记录的每一个像素都包含了数千个分子。Thawani必须找到一种方法来分解视觉数据来进行单分子观察，这需要几个月的复杂图像分析——同时也需要Shaevitz的帮助，他在图像分析方面已经花费了数年的时间。

最终，Thawani精确地测量了单个蛋白质何时何地与现有的微管结合，开始一个新的分支，以及它的生长速度，每次只观察一个分子。

“传统的方法，即改变分支反应中不同分子的数量，不允许你计算出事情发生的顺序，”Shaevitz说，他也是nsf资助的生物功能物理中心的联合主任。“通过观察单个分子，我们可以逐个观察组装过程。”

然后Thawani使用这些参数创建了一个计算机模型。其他科学家以前也曾尝试建立微管分支的模型，但没有人能够获得如此精确的测量数据来测试他们的模型输出。然后，她测试了研究人员多年来头脑风暴得出的各种序列，模型排除了所有序列，只有一个例外。

现在研究小组的成分——蛋白质称为TPX2 augminγ-TuRC——以及一系列步骤,但是电脑不能告诉他们时蛋白质添加。任何组装成套家具或从零开始烘焙面包的人都知道，不按顺序做这些步骤是行不通的。

最后的转折

审稿人要求的实验显示，Thawani和Petry的预期完全是相反的。Thawani说:“我们一开始以为应该是augmin，然后是TPX2，但结果是反过来的。”“这是一个转折点。”

发现,研究人员有完整的配方生成微管烟花:如果TPX2沉积在现有的微管,其次是绑定augminγ-TuRC,然后新微管将成核和分支。

作为最后一步，他们证实这些蛋白质将以Thawani的计算机模型预测的速度精确结合。“这是第三个突破，”佩特里说，“这些数字是相符的，她的模型在计算机上的预测对生物学来说是正确的。”

“Petry的这项工作真的是一个重要的补充，将有助于推动该领域向前发展，”哈佛大学(Harvard University)分子和细胞生物学教授、戈登麦凯(Gordon McKay)的应用物理学教授丹尼尔尼德勒曼(Daniel Needleman)说。“我认为这项工作，结合我的团队和Jan Brugues(位于德累斯顿的马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所)的研究成果，已经真正阐明了纺锤体中微管成核的‘规则’。下一步将是找出控制这些规则的分子过程。佩特里和大学已经建立了一套系统，应该真的有助于做到这一点。”

佩特里说，回顾过去，这项工作“充满了惊喜，既有实验上的，也有人们可以实现什么，以及如何实现”。重新审视这个长期存在的问题，结合来自三个领域的教授，评审过程——整个体系都发挥了作用。”

Akanksha Thawani、Howard A. Stone、Joshua W. Shaevitz和Sabine Petry合著的《分支微管网络的时空组织》发表在5月8日的《生命》(DOI: 10.7554/eLife.43890)杂志上。这项工作是由美国心脏协会博士前的奖学金支持17 pre33660328(在),美国国立卫生研究院新创新者奖1 dp2gm123493,尤在生物医学科学学者项目00027340,戴维和露西尔帕卡德基金会2014 – 40376 (SP)和生物功能的物理中心由美国国家科学基金会资助phy – 1734030。